JP2018503054A - 排熱回収蒸気発生器 - Google Patents

Abstract

本発明は、排熱蒸気発生器、特に垂直型の排熱蒸気発生器であって、少なくとも１つの蒸発器伝熱面（１２）と少なくとも１つの過熱器伝熱面（１１）とが配置されている排出ガス導管（１０）であって、少なくとも１つの蒸発器伝熱面（１２）と少なくとも１つの過熱器伝熱面（１１）とが、少なくとも１つの過熱器伝熱面（１１）が給水側において少なくとも１つの蒸発器伝熱面（１２）の上流に配置されるように互いに接続されている、排出ガス導管（１０）と、給水側において少なくとも１つの蒸発器伝熱面（１２）の下流に配置されている水分離器（２０，２０’）と、を備えている排熱蒸気発生器に関する。過長配管システムが、給水側において排出ガス導管（１０）の外側に且つ少なくとも１つの過熱器伝熱面（１１）と少なくとも１つの蒸発器伝熱面（１２）との間に配置されており、少なくとも１つの過熱器伝熱面（１１）の充填が完了した後に、過長配管システムのライザー（１５’）の給水がオーバーフロー部（１５’’’）に到達し、ダウン配管（１５’’）を介して少なくとも１つの蒸発器伝熱面（１２）に流入するように構成されている。

Description

本発明は、請求項１のおいて書きに基づく排熱回収蒸気発生器に関する。

ガス蒸気タービン発電所では、ガスタービンから排出される排出ガスが、蒸気タービンのための蒸気を発生させるために利用される。この場合には、ガスタービンの下流に配置されている排熱蒸気発生器であって、蒸気を発生させた後に蒸気を過熱するための複数の伝熱面が排出ガス導管に配置されている排熱蒸気発生器において、熱が伝達される。このために、伝熱面が蒸気タービンの給水／蒸気回路に接続されているので、当該給水／蒸気回路を流れる媒体が伝熱面を次々と流れる。

排出ガス側においてガスタービンの下流に配置されている排熱蒸気発生器については、複数の代替的な設計思想が考案されており、具体的にはワンススルー式蒸気発生器又は循環式蒸気発生器として設計されている。ワンススルー式蒸気発生器では、蒸発器伝熱面の蒸発器配管を加熱することによって、１回で流体媒体を蒸発させることができる。

排熱蒸気発生器を始動する際に、いわゆる排水が行われる。このことは、始動後に開始される蒸発器配管の加熱の結果として生じる、蒸発器配管に存在する流体媒体の蒸発が最初に発生した場合に起こる。例えば蒸発器配管それぞれの中心において、このような蒸発が起きた場合には、下流に存在する所定量の水（“給水栓（water plug）”とも呼称される）が、蒸発器配管それぞれから押し出される。蒸発されていない流体媒体が蒸発器配管から下流の過熱器伝熱面に移動する可能性を確実に排除するために、一般には、水分離器が蒸発器伝熱面と下流の過熱器伝熱面との間に設けられている。水分離器において分離された水は、その後に膨張装置に給送される。周囲空気膨張装置において膨張の際に形成された蒸気は、一般に外部環境に排出される。このことは、水熱ボイラーの始動の際における水損失に著しく貢献する。周囲空気膨張器において膨張の際に蓄積された水は、給水／蒸気回路に再び給送可能とされる。周囲空気膨張器に案内された水は、排熱蒸気発生器の始動の際におけるエネルギ損失を大きくする。

始動の際におけるこのような排水を最大限に回避するための解決手段は、過熱器伝熱面の下流に配置されている弁にあることは明白である。下流の蒸発器伝熱面に流入する給水の量を調整することができるからである。しかしながら、この場合には、過熱器システムは、比較的高いポンプ圧のために設計されるので、さらなるコストを必要とする。

本発明の目的は、始動の際における上述の欠点を克服する排熱蒸気発生器を提供することである。

当該目的は、請求項１の特徴を有している発熱蒸気発生器によって達成される。

給水側において排出ガス導管の外側に且つ少なくとも１つの過熱器伝熱面と少なくとも１つの蒸発器伝熱面との間に配置されている過長配管システムが、少なくとも１つの過熱器伝熱面の充填が完了した後に、過長配管システムのライザーの給水がオーバーフロー部に到達し、ダウン配管を介して少なくとも１つの蒸発器伝熱面に流入するように構成されていることによって、少なくとも１つの過熱器伝熱面が完全に充填されているにもかかわらず、少なくとも１つの蒸発器伝熱面の水位を自在に設定することができる。既知の解決手段とは対照的に、弁が過熱器伝熱面の下流に設けられていないので、圧力部は、排熱蒸気発生器の蒸気側において設計圧力を比較的低く設計することができる。

概して、本発明における配置は、排熱蒸気発生器の始動の際における水損失を著しく低減させ、ひいてはエネルギ損失を比較的低くすることができる。さらに、既知の解決手段と比較して、本発明における熱蒸気発生器のコストは著しく低い。さらに、本発明に従った過長配管システムを具備する排熱蒸気発生器の設計及び配置の結果として、少なくとも１つの過熱器伝熱面を具備するエコノマイザーシステムは常に完全に充填されているので、下流の水分離器は比較的低い位置に懸架可能とされる。これにより、この領域における配管長さを短くし、さらにコストを削減することができる。

好ましくは、少なくとも１つの蒸発器伝熱面から排水するための少なくとも１つの排水弁を具備する排水配管が、少なくとも１つの蒸発器伝熱面と周囲空気膨張装置との間に設けられており、及び／又は、通風弁を具備する通風配管が、過長配管システムのオーバーフロー部と水分離器の上記排出配管との間に設けられている。これら補助配管に配置されている弁それぞれが、システム圧力から独立して、始動状態となる前に少なくとも１つの蒸発器伝熱面の給水の水位を調整するために利用可能とされる。

蒸発器伝熱面の水位を計測するために、適切な水位計測手段が据え付けられている。このために、好ましくは、少なくとも１つの蒸発器伝熱面の給水の水位を計測するための計測配管及び圧力計測装置が、少なくとも１つの蒸発器伝熱面に対して並列に設けられている。

本発明について、図面に基づいて例示的に以下に説明する。

排熱蒸気発生器の既知の配置の概略図である。 排熱蒸気発生器のための改善された解決手段の既知の配置の概略図である。 本発明における排熱蒸気発生器の構造及び配置の概略図である。

図１は、現在知られている垂直型排熱蒸気発生器の基本構造を表わす概略図である。ガスタービン（詳細には図示しない）からの排出ガスは、排熱蒸気発生器の排出ガス導管１０を通じて、底部から頂部に向かって流れる。排出ガス導管１０の内部には、蒸気タービンの給水／蒸気回路から流体媒体を流通させるための複数の伝熱面１１，１２が、垂直方向に配置されている。ここでは、熱が排出ガスから流体媒体に伝達されるので、蒸気タービンにおけるさらなるエネルギ変換のために利用される。その結果として、ガス蒸気タービン発電所としては、比較的高い全体効率を得ることができる。

排出ガス導管１０の内部には、様々な伝熱面が配置されており、原則として、排出ガス側において、予熱器伝熱面１１が、少なくとも1つの蒸発器伝熱面１２の下流に、さらには過熱器伝熱面（図示しない）の下流に配置されている。しかしながら、現在知られている配置は、伝熱面が部分的に接触した状態で配置されている著しく複雑な構造を有している。対照的に、流体媒体側において、予熱器伝熱面１１が、実際の蒸発器伝熱面１２の下流に配置されており、これにより、予熱器伝熱面１１に流入する冷却給水１３は、排出ガス導管１０の比較的低温部分において適度に加熱された直後に、排出ガス導管１０の比較的高温部分において、具体的には排出ガス導管１０に配置されている蒸発器伝熱面１２において蒸発される。

予熱器伝熱面１１及び蒸発器伝熱面１２それぞれが、互いに隣り合って配置されていると共に予熱器伝熱面１１及び蒸発器伝熱面１２の受熱部及び放熱部において―概略的に示す―コレクタそれぞれを介して互いに接続されている、複数の配管から構成されている。これにより、貫流する流体媒体は、伝熱面の配管集合体それぞれを通じて均質化される。図１に表わす構成では、対応するコレクタ及び接続配管１６を介して互いに接続されている３つの予熱器伝熱面１１が、排出ガス導管１０に配置されている。最後の予熱器伝熱面から流出した流体媒体は、その後にさらなる接続配管１５を介して蒸発器伝熱面１２に導かれる。単一の蒸発器伝熱面１２の放熱部は、さらなるコレクタ及びさらなる接続配管１４を介して水分離器２０に連結されている。従って、排熱蒸気発生器の始動の際に蒸発器伝熱面１２から排出された蒸発されていない流体媒体は、蒸発された流体媒体と共に、蒸発されていない流体媒体を分離するための水分離器２０に導入される。蒸発された流体媒体が、蒸気配管２１を介して、例えばさらなる過熱器伝熱面に給送される一方、蒸発されていない流体媒体の一部が、排水弁２５及び周囲空気膨張装置３０を介して、給水／蒸気回路に給水として再び給送される。

始動前にすべての予熱器伝熱面１１及び蒸発器伝熱面１２が完全に充填される必要がある図１に表わす配置とは異なり、図２は、蒸発器伝熱面１２に流入する給水が調整される配置を表わす。給水の調整のために、弁１７が、最後の予熱器伝熱面１１と蒸発器伝熱面１２と間において接続配管１５に設けられており、弁２４が、蒸発器伝熱面１２と周囲空気膨張装置３０との間において排水配管２３に設けられている。さらに、計測配管１８と圧力計測装置１９とが、蒸発器伝熱面１２の給水の水位を計測するために、蒸発器伝熱面１２と並列に配設されている。このような蒸発器伝熱面１２の（部分的な）充填は、弁１７，２４によって調整可能とされるが、当該充填によって、始動時における蒸発器伝熱面１２からの水の排出が低減される。

図３に表わすように、予熱器伝熱面１１を完全に充填した後に、過長配管システムのライザー１５’の給水がオーバーフロー部１５’’’に到達し、ダウン配管１５’’を介して蒸発器伝熱面１２に流入するように構成されている過長配管システムが、給水側において、排出ガス導管１０の外側且つ最後の予熱器伝熱面１１と蒸発器伝熱面１２との間に配置されている場合には、著しい改善を実現することができる。図２に表わす配置とは異なり、図３に表わす配置では、給水が、予熱器伝熱面１１をさらに加圧することなく調整された状態で下流の蒸発器伝熱面１２に導入される。ガス蒸気タービン発電所が始動する前に、蒸発器伝熱面１２は、最小の排水と最適化された始動時間との間で最適化されるように部分的に充填される。

例えば蒸発器伝熱面１２から排水するための排水弁２４’，２５及び／又は通気弁２６を具備する通気管路２７のような、さらなる計測によって、蒸発器伝熱面１２の給水の水位は、システムの圧力から独立して、それぞれが始動状態となる前に調整可能とされる。調整のために蒸発器伝熱面１２の水位を計測するために、適切な水位計測手段がさらに据え付けられている。このために、優位には、―図２にも表わすように―計測配管１８と少なくとも１つの蒸発器伝熱面１２の水位を計測するための圧力計測装置１９とが、蒸発器伝熱面１２に対して並列に配設されている。通気管路２７が、周囲空気に直接接続されているのではなく、水分離器２０’から蒸気を排出するための蒸気配管２１に接続されているので、その結果として、蒸発器伝熱面１２において著しく圧力低下することなく、過長配管を通気することができる。排水弁２４’が排水弁２５の上流に組み込まれているので、その結果として、排水弁２４’は、単なる“開／閉”弁として構成されていれば良く、蒸発器伝熱面１２の排水の実際の調整は、排水弁２５によって実施される。

１０ 排出ガス導管
１１ 予熱器伝熱面
１２ 蒸発器伝熱面
１３ 冷却給水
１４ さらなる接続配管
１５ さらなる接続配管
１５’ ライザー
１５’’ ダウン配管
１５’’’ オーバーフロー部
１６ 接続配管
１７ 弁
１８ 計測配管
１９ 圧力計測装置
２０ 水分離器
２０’ 水分離器
２１ 蒸気配管
２３ 排水配管
２４ 弁
２４’ 排水弁
２５ 排水弁
２６ 通気弁
２７ 通気管路
３０ 周囲空気膨張装置

Claims (4)

1. 排熱蒸気発生器、特に垂直型の排熱蒸気発生器であって、
   少なくとも１つの蒸発器伝熱面（１２）と少なくとも１つの過熱器伝熱面（１１）とが配置されている排出ガス導管（１０）であって、少なくとも１つの前記蒸発器伝熱面（１２）と少なくとも１つの前記過熱器伝熱面（１１）とが、少なくとも１つの前記過熱器伝熱面（１１）が給水側において少なくとも１つの前記蒸発器伝熱面（１２）の上流に配置されるように互いに接続されている、前記排出ガス導管（１０）と、
   給水側において少なくとも１つの前記蒸発器伝熱面（１２）の下流に配置されている水分離器（２０，２０’）と、
   を備えている、前記排熱蒸気発生器において、
   前記給水側において前記排出ガス導管（１０）の外側に且つ少なくとも１つの前記過熱器伝熱面（１１）と少なくとも１つの前記蒸発器伝熱面（１２）との間に配置されている過長配管システムが、少なくとも１つの前記過熱器伝熱面（１１）の充填が完了した後に、前記過長配管システムのライザー（１５’）の給水がオーバーフロー部（１５’’’）に到達し、ダウン配管（１５’’）を介して少なくとも１つの前記蒸発器伝熱面（１２）に流入することを特徴とする排熱蒸気発生器。
2. 少なくとも１つの前記蒸発器伝熱面（１２）を排水するための少なくとも１つの排水弁（２４’，２４，２５）を具備する排水配管（２３）が、少なくとも１つの前記蒸発器伝熱面（１２）と周囲空気膨張装置（３０）との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排熱蒸気発生器。
3. 通気弁（２６）を具備する通気管路（２７）が、前記過長配管システムの前記オーバーフロー部（１５’’’）と前記水分離器（２０，２０’）の蒸気排出配管（２１）との間に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排熱蒸気発生器。
4. 計測配管（１８）と少なくとも１つの前記蒸発器伝熱面（１２）の給水の水位を計測するための圧力計測装置（１９）とが、少なくとも１つの前記蒸発器伝熱面（１２）に対して並列に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排熱蒸気発生器。

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